数据库系统原理第一章

参考教材介绍自学教材《数据库系统原理》，全国高等教育自学考试指导委员会组编，丁宝康主编，经济科学出版社2007年版。本教材共分为9章，详细介绍了数据库系统的基本原理、方法和应用技术。内容安排基础篇第一章数据库系统基本概念第二章数据库的设计和ER模型第三章关系模式设计理论第四章关系运算第五章SQL语言第六章数据库管理设计与应用开发篇第七章SQLServer2000简介及应用第八章PowerBuilder9.0简介及应用第九章数据库的技术的发展数据库的地位数据库技术产生于六十年代末，是数据管理的最新技术，是计算机科学的重要分支。数据库技术是信息系统的核心和基础，它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透。数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。《数据库系统原理》课程地位图示B/S结构C/S结构浏览器端：HTML/CSS/JavaScript/VBScript服务器端：ASP(.NET)/PHP/JSPC/S结构：VB/VC/VC#/Delphi/Java/.NET系列数据库支持：SQLServer/Oracle/Sybase/MySQL/Informix/Access两大语法体系：Basic系：VB/VBScript/VBAC系：Java/JavaScript/C++/C#四个基本概念数据(Data)数据库(Database)数据库管理系统(DBMS)数据库系统(DBS)一、数据数据(Data)是描述事物的符号记录比如：文本、图形、图像、音频、视频、学生的档案记录、货物的运输情况等学生档案中的学生记录（李明，男，1972，江苏，计算机系，1990）数据的解释语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在系别、入学时间解释：李明是个大学生，1972年出生，江苏人，1990年考入计算机系二、数据库数据库的定义数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。三、数据库管理系统什么是DBMS位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。是基础软件，是一个大型复杂的软件系统

DBMS的用途科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据硬件平台基础软件平台软件基础构架平台应用软件平台软件产品协同软件办公软件数据库系统操作系统

中间件应用服务器数据库在计算机系统中的位置四、数据库系统什么是数据库系统（DatabaseSystem，简称DBS）

在计算机系统中引入数据库后的系统构成数据库系统的构成数据库数据库管理系统（及其开发工具）应用系统数据库管理员

数据库

应用系统应用开发工具

操作系统

数据库管理系统

数据库管理员用户用户用户

数据库系统四、数据库系统第一章数据库基础知识学习目的与要求：本章属于基础知识，主要是对一些概念的理解和记忆。

本章没有难点，相对的重点是:数据模型的四个层次数据库管理系统的功能数据库系统的全局结构

考核知识点与考核要求1.1数据管理技术的发展阶段（识记）1.2数据描述的术语（领会）1.3数据抽象的级别（领会）1.4数据库管理系统(DBMS)(领会)1.5数据库系统（DBS）（领会）1.1数据管理技术的发展时期20世纪40年代中--50年代中产生的背景应用需求 科学计算 硬件水平 无直接存取存储设备软件水平 没有操作系统 处理方式 批处理1.人工管理阶段（20世纪50年代中期以前）人工管理阶段(续)特点数据的管理者：用户（程序员），数据不保存在机器中数据面向的对象：某一应用程序数据的共享程度：无共享、冗余度极大数据的独立性：不独立，完全依赖于程序数据的结构化：无结构数据控制能力：应用程序自己控制只有程序的概念，没有文件的概念；应用程序与数据的对应关系(人工管理阶段)

应用程序1数据集1应用程序2数据集2应用程序ｎ数据集n...…...…人工管理阶段应用程序与数据之间的对应关系二、文件系统阶段时期20世纪50年代末--60年代中产生的背景应用需求 科学计算、管理 硬件水平 磁盘、磁鼓 软件水平 有文件系统 处理方式 联机实时处理、批处理

文件系统阶段(续)特点数据的管理者：文件系统，数据可长期保存数据面向的对象：某一应用程序数据的共享程度：共享性差、冗余度大数据的结构化：记录内有结构,整体无结构数据的独立性：独立性差，数据的逻辑结构改变必须修改应用程序数据控制能力：应用程序自己控制应用程序与数据的对应关系(文件系统阶段)应用程序１文件１应用程序２文件2应用程序ｎ文件n存取方法...…...…文件系统阶段应用程序与数据之间的对应关系

文件系统中数据的结构对数据的操作以记录为单位。数据的结构是靠程序定义和解释的。数据只能是定长的。可以间接实现数据变长要求，但访问相应数据的应用程序复杂了。文件间是独立的，因此数据整体无结构。可以间接实现数据整体的有结构，但必须在应用程序中对描述数据间的联系。数据的最小存取单位是记录。文件系统三个缺陷（1）数据冗余：因为每个应用程序都有对应的

文件，同样的数据会在多个文件中重复存储。（2）数据不一致：由于数据冗余，在更新操作

时，可能遗漏，人为造成不一致性。（3）数据联系弱：因为文件之间相互独立，缺

乏联系。三、数据库系统阶段时期20世纪60年代末以来产生的背景应用背景 大规模管理 硬件背景 大容量磁盘、磁盘阵列 软件背景 有数据库管理系统 处理方式 联机实时处理,分布处理,批处理 1.1.3数据库系统的特点数据结构化数据的共享性高，冗余度低，易扩充数据独立性高数据由DBMS统一管理和控制数据结构化整体数据的结构化是数据库的主要特征之一整体结构化不再仅仅针对某一个应用，而是面向全组织不仅数据内部结构化，整体是结构化的，数据之间具有联系数据库中实现的是数据的真正结构化数据的结构用数据模型描述，无需程序定义和解释数据可以变长数据的最小存取单位是数据项数据的共享性高，冗余度低，易扩充数据库系统从整体角度看待和描述数据，数据面向整个系统，可以被多个用户、多个应用共享使用。数据共享的好处减少数据冗余，节约存储空间避免数据之间的不相容性与不一致性使系统易于扩充数据独立性高物理独立性指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。逻辑独立性指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。数据独立性是由DBMS的二级映像功能来保证的数据由DBMS统一管理和控制DBMS提供的数据控制功能(1)数据的安全性（Security）保护保护数据，以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。(2)数据的完整性（Integrity）检查将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。(3)并发（Concurrency）控制对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果。(4)数据库恢复（Recovery）将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。应用程序与数据的对应关系(数据库系统)DBMS应用程序1应用程序2数据库…数据库系统阶段应用程序与数据之间的对应关系4.高级数据库阶段：１）面向对象的概念建模：现实世界存在许多具有更复杂数据结构的实际应用领域，例如多媒体数据、多维表格数据、CAD数据等应用问题，需要更高级的数据库技术。面向对象技术不断渗透，经历了从实体联系图、对象联系图到UML类图的发展历程，以适应具有面向对象特征的数据库系统的需要。２）开放数据库互连技术：“开放数据互联”技术，为开发者提供一个公共的、与DBMS型号无关的应用程序设计接口。

这两部分内容将在第九章介绍。数据(Data)是数据库中存储的基本对象数据的定义描述事物的符号记录数据的种类文本、图形、图像、音频、视频、学生的档案记录、货物的运输情况等数据的特点数据与其语义是不可分的1.2数据描述数据举例数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。例如93是一个数据语义1：学生某门课的成绩语义2：某人的体重语义3：计算机系2013级学生人数语义4：请同学给出。。。数据举例学生档案中的学生记录（李明，男，199505，江苏南京市，计算机系，2014）语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在院系、入学时间解释：李明是个大学生，1995年5月出生，江苏南京市人，2014年考入计算机系请给出另一个解释和语义1.2数据描述在数据处理中，数据描述将涉及不同的范畴。从事物的特性到计算机中的具体表示，数据描述经历了三个阶段：概念设计逻辑设计物理设计1.概念设计中的的数据描述(1)实体（Entity）

客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。(2)属性（Attribute）实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。

(3)实体标识符：码（Key）唯一标识实体的属性集称为码。1.概念设计中的的数据描述(续)(4)域（Domain）属性的取值范围称为该属性的域。(5)实体集（EntitySet）同一类型实体的集合称为实体集(1)字段：数据项，比如学号、姓名(2)记录：字段的有序集合(3)文件：同一类字段的集合(4)关键码：能唯一标识文件中每个记录的字段或者字段集。2.逻辑设计中的数据描述物理存储介质层次１）高速缓冲存储器：Cache，由CPU直接管理。２）主存储器：内存３）快擦写存储器：FlashMemory４）磁盘存储器：硬盘５）光盘存储器：CD、DVD６）磁带：物理存储中的数据描述位、字节、字、块、桶和卷。3.物理设计中的数据描述联系及元数定义：二元联系有以下三种类型：

1：1的联系：如果实体集E1中的每个实体最多只能和实体集E2中的一个实体有联系，反之亦然，好么实体集E1对E2的联系称为“一对一联系”，记为“1：1”。

1：N联系：如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，而E2中每个实体至多和E1中的一个实体有联系，那么E1对E2的联系是“一对多联系”，记为“1：N”。

M：N联系：如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，反之亦然，那么E1对E2的联系是“多对多联系”，记为“M：N”。4.数据联系的描述实体型A联系名实体型B111:1联系实体型A联系名1n1:n联系实体型A实体型B联系名mnm:n联系实体型B用图形来表示两个实体型之间的这三类联系4.数据联系的描述一对一联系（1:1）

实例一个班级只有一个正班长一个班长只在一个班中任职定义：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个（也可以没有）实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系，记为1:1

班级班级-班长班长111:1联系4.数据联系的描述一对多联系（1：n）实例一个班级中有若干名学生，每个学生只在一个班级中学习定义：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系，记为1:n班级组成学生1n1:n联系4.数据联系的描述多对多联系（m:n）实例课程与学生之间的联系：一门课程同时有若干个学生选修一个学生可以同时选修多门课程定义：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体（m≥0）与之联系，则称实体集A与实体B具有多对多联系，记为m:n课程选修学生mnm:n联系4.数据联系的描述1.3数据抽象的级别1.数据抽象的过程数据模型的概念数据模型指对现实世界中客观事物及其联系的数据描述，是能表示实体类型与实体间联系的模型，具有描述数据与数据联系两方面的功能。数据模型是对现实世界数据特征的模拟和抽象。数据模型应该满足三个方面的要求：比较真实地模拟现实世界；容易为人所理解；便于计算机处理.1.数据抽象的过程根据数据抽象的级别定义了四种模型：概念数据模型逻辑数据模型外部数据模型内部数据模型概念模型表达用户需求观点的数据全局逻辑结构的模型独立于计算机系统和DBMS主要用于数据库的概念设计逻辑模型表达计算机实现观点的DB全局逻辑结构的模型外部模型表达用户使用观点的DB局部逻辑结构的模型内部模型表达DB物理结构的模型对数据最底层的抽象，是面向计算机系统的。物理模型的具体实现是DBMS的任务，用户一般不必考虑物理级的细节1.数据抽象的过程四种模型之间的相互关系1.数据抽象的过程用户需求DB用户需求用户需求概念模型外部模型外部模型外部模型逻辑模型内部模型用户1用户3用户2应用1应用2应用3综合转换映像映像数据抽象的步骤：第1步：根据用户需求，设计数据库的概念模型，这是一个综合的过程第2步：根据转换规则，把概念模型转换成数据库的逻辑模型，这是一个转换的过程第3步：根据用户的业务特点，设计不同的外部模型，给程序员使用。也就是应用程序使用的时数据库的外部模型，外部模型与逻辑模型之间的对应性称为映像第4步：数据库实现时，要根据逻辑模型设计其内部模型。内部模型和逻辑模型之间的对应性称为映像1.数据抽象的过程第1步成为DB的概念设计，第2、3步称为DB的逻辑设计，第4步称为DB的物理设计这四种模型中，概念模型的抽象级别最高其特点是：表达了数据的整体逻辑结构，它是系统用户对整个应用项目涉及的数据的全面描述从用户需求的观点出发，对数据建模概念模型独立于硬件和软件是数据库设计人员与用户之间进行交流的工具2.概念模型ER模型基本概念：(1)实体（Entity）客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。(2)属性（Attribute）实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。2.概念模型(3)联系（Relationship）现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系实体型间联系一对一联系（1:1）一对多联系（1:n）多对多联系（m:n）2.概念模型ER图有四个基本成分：（1）矩形框——表示实体型；（2）菱形框——表示联系型；（3）椭圆形框——表示实体型或联系型的属性（4）直线——用来连接上述三种图框。做图时，把相应的命名记入框中；对组成关键字的属性，标记下划线；在菱形框的引出线上要标上联系的方式（如1:N等）。2.概念模型建立ER图过程：（1）确定实体型（2）确定联系型（3）对实体型和联系型用连线组合（4）确定实体型和联系型的属性，确定并标记键。1.两个不同实体型之间的联系例1.1分别画出学校与教师联系、学生与课程联系的ER图。2.概念模型１学校聘任学校名校址校长年薪教工号姓名专长教师（１）学校与教师联系的ER图学生Ｎ课程选修必修ＭＮＯＰ学号姓名年龄课程号课程名学分（2）学生与课程联系的ER图性别成绩成绩ＯＮＭＰ2.概念模型2.多个不同实体型之间的联系例1.2假设厂家供应零件，仓库负责采购并管理零件的入库、出库，多个工程项目所需的零件在仓库领取。画出仓库管理的ER图。工程项目厂家零件采购需求有三个实体型：工程项目（项目号，项目名，负责人）零件（零件号，零件名，单价，重量）厂家（编号，厂名，厂址）有两个联系型：需求（需求量）采购（购进数）3.逻辑模型逻辑模型的特点:(p13)（1）逻辑模型表达了DB的整体逻辑结构，但它是设计人员对整个应用项目数据库的全面描述（2）逻辑模型从数据库实现的观点出发，对数据建模（3）逻辑模型独立于硬件，但是依赖于软件（DBMS）（4）逻辑模型是数据库设计人员与应用程序之间进行交流的工具逻辑模型的分类：１）层次模型２）网状模型３）关系模型１）层次模型层次模型：用树形结构来表示各类实体及实体间的联系的数据模型。层次模型要满足下面两个条件：1.有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点。2.根以外的其它结点有且只有一个双亲结点。层次模型的一般表示：节点1节点2节点3节点4节点5根节点叶节点层次模型学校学院管理机构学生教师根节点叶节点层次模型实例兄弟结点系的组织机构上图中层次模型数据库中的一个值层次模型有两个缺点只能表示1：N联系由于层次顺序的严格和复杂，引起数据的查询和更新操作很复杂，因此应用程序的编写也比较复杂２）网状模型满足下面两个条件的基本层次联系的集合为网状模型。允许多个的结点无双亲；一个结点可以有多于一个的双亲。2.4.2网状数据模型网状模型可以看作是层次模型的一种扩展。它采用有向图结构表示实体及其之间的联系。一个节点可以没有父节点；也可以有多于一个的父节点。两个结点之间有多种联系（复合联系）。联系通过指针链表实现。节点1节点2节点3节点1节点2节点4节点3（a）（b）网状模型的几个例子学生/选课/课程的网状模型的实现网状模型的例子：

Ｒ1

L1L2

R2

R1

R2

L3

L1L2

R3

L4

R4L5

R5

专业

社团

学生拥有

参加

R1

R2

R3

L1L2

工人

使用维护

机器

学院

办公室办公开设下属教研室聘用课程讲授

教师

学生宿舍学生教研室系教师网状模型的优缺点优点能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲具有良好的性能，存取效率较高缺点结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握３）关系模型关系模型是目前应用最多、也最为重要的一种数据模型。关系模型建立在严格的数学概念基础上，采用二维表格结构来表示实体和实体之间的联系。在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。教师信息表信息学院教授男薛智永856基础部讲师女李奇805DEPT(系别)TITLE(职称)GENDER(性别)NAME(姓名)TNO(教师编号)85664数据结构00513280540微机基础005067TNO(主讲老师编号)PERIOD(学时)DESCP(课程名称)CNO(课程编号)课程信息表例学生、课程、学生与课程之间的多对多联系：

学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩）（a）学生关系信息学院18男王小鹏236机电学院19女李小莹235系别年龄性别姓名学号464数据结构005132640微机基础005067学分学时课程名称课程编号（b）课程关系用选修关系表示学生与课程的联系（c）选修关系7600513280587005067805成绩课程编号学号7600513285680005067856关系数据模型的特点：概念清晰，结构简单，实体、实体联系和查询结果都采用关系表示，用户比较容易理解。关系模型的存取路径对用户是透明的，程序员不用关心具体的存取过程，减轻了程序员的工作负担，具有较好的数据独立性和安全保密性。

一般只处理格式化的数据，对于多媒体数据如图像、图形、声音等，处理效果不好。数据结构比较简单，不能描述许多复杂的数据结构。

4.外部模型外部模型的特点:（1）外部模型是逻辑模型的一个逻辑子集（2）外部模型独立于硬件，依赖于软件（3）外部模型反映了用户使用数据库的观点4.外部模型外部模型的优点:（1）简化了用户的观点。外部模型是针对具体用户应用需要的数据而设计的，与该用户无关的数据不必放入，这样用户就能比较简便地使用数据库。（2）有助于数据库的安全保护。用户不能看的数据，不放入外部模型，这样就提高了系统的安全性（3）外部模型是对概念模型的支持。如果用户使用外部模型得心应手，那么说明当初根据用户需求综合成的概念模型是正确的、完善的

5.内部模型是数据库最底的抽象，它描述数据在磁盘或磁带上的存储方式、存取设备和存取方法。

6.三层模式和两级映象在用户到数据库之间，DB的数据结构有三个层次：外部模型、逻辑模型和内部模型。这三个层次要用DB的数据定义语言定义，定义以后的内容成为模式。

6.三层模式和两级映象三层模式体系结构１）外模式：是用户与数据库系统的接口，是用户用到的那部分数据的描述。２）逻辑模式：是数据库中全部数据的整体逻辑结构的描述。３）内模式：是数据库在物理存储方面的描述，定义所有内部记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节。

6.三层模式和两级映象三层模式体系结构具有以下特点：（1）用户使用DB的数据操纵语言语句对数据库进行操作，实际上是对外模式的外部记录进行操作（2）逻辑模式必须不涉及存储结构、访问技术等细节（3）内模式不涉及物理设备的约束

6.三层模式和两级映象两级映象外模式/逻辑模式映象：用于定义概念模式和内模式之间的对应性。一般在内模式中描述。逻辑模式/内模式映象：用于定义外模式和概念模式间的对应性。一般在外模式中描述。

7.高度的数据独立性什么叫数据独立性？是指应用程序和数据库的数据结构之间相互独立，不受影响。在修改数据结构时，尽可能不修改应用程序，则称系统达到了数据独立性目标。数据独立性分为物理数据独立性和逻辑数据独立性：物理数据独立性：修改内模式时尽量不影响概念模式及外模式，则达到物理数据独立性。逻辑数据独立性：修改概念模式时尽量不影响外模式和应用程序。用户（应用程序）外模式外模式/逻辑模式映像内模式逻辑模式外模式/逻辑模式映像DB…用户记录…逻辑记录…外部记录…内部记录…物理记录结构一致，只是数据传输问题结构一致，只是数据传输问题结构不一致，除了数据传输，还需要各式转换1.4数据库管理系统（DBMS）1.DBMS的目标与任务：目标友好的用户界面可靠、易用、立即反馈、多样功能完备效率高结构清晰开放性—符合标准和规范1.4数据库管理系统（DBMS）DBMS工作模式如下：（1）接受应用程序的数据请求和处理请求（2）将用户的数据请求（高级指令）转换成复杂的机器代码（低层指令）（3）实现对数据库的操作（4）从数据库的操作中接受查询结果（5）对查询结果进行处理（格式转换）（6）将处理结果返回给用户1.4数据库管理系统（DBMS）应用程序DBMSDB数据请求低层指令数据（处理结果）数据（查询结果）DBMS的工作模式1.4数据库管理系统（DBMS）应用程序DB的系统缓冲区DBOSDBMS外模式模式内模式用户访问数据的过程3.DBMS的主要功能：１）数据库的定义功能２）数据库的操纵功能３）数据库的保护功能（数据库恢复、数据库并发控制、数据库完整性和数据库安全性）４）数据库的维护功能５）数据字典1.5数据库系统(DBS)1.DBS由四部分组成：数据库、硬件、软件、数据库管理员。2.数据库管理员定义及职责。(素质+职责)3.DBS的全局结构及DBS的效益。（数据库用户+界面+DBMS+磁盘+DBS的效益）本章结束1.数据库系统的组成数据库硬件软件数据库管理员（1）数据库（DB）DB是一个企业组织各项应用有关的全部数据的集合DB分成两类：一类是应用数据的集合，称为物理数据库，它是数据库的主体一类是各级数据结构的描述，称为描述数据库（2）硬件包括中央处理机、内存、外存、输入输出设备等数据库系统对硬件资源的要求1)足够大的内存操作系统DBMS的核心模块数据缓冲区应用程序2